Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Weg zu besseren Trafos

07.09.2016

Dank einer hochmodernen Untersuchungsmethode ist es Forschenden gelungen, in Transformatoren hineinzuschauen und die magnetischen Domänen im Inneren des Trafo-Eisenkerns bei der Arbeit zu beobachten. Transformatoren, kurz Trafos, sind unerlässlich für die Stromversorgung von Industrie und Haushalten. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Untersuchungsmethode sich gewinnbringend zur Entwicklung effizienterer Trafos einsetzen lässt. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in zwei Studien der neuesten Ausgabe des Fachjournals Physical Review Applied.

Transformatoren sind ein unverzichtbares Element unserer Stromversorgung: In Umspannwerken erhöhen sie die Spannung, sodass der Strom sich per Hochspannungsleitung und dadurch mit geringerem Verlust über weite Strecken transportieren lässt. Am anderen Ende der Hochspannungsleitungen setzen Trafos die Spannung wieder herab, sodass der Strom schliesslich mit 230 Volt aus der heimischen Steckdose kommt.


An der im Bild gezeigten Transformatorstation wird der Strom auf die Spannung von 16 kV transformiert und dann im Institut verteilt.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Dabei gibt es auch bei den modernen Trafos durchaus noch Optimierungspotenzial. Diesem Problem haben sich Christian Grünzweig, Neutronenforscher am Paul Scherrer Institut PSI, und seine Mitarbeitenden in zwei neuen Studien gewidmet. Dabei haben sie eine hochmoderne Untersuchungsmethode erprobt und gezeigt, wie sich damit während des Trafobetriebs die winzigen magnetischen Strukturen in dessen Inneren abbilden lassen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen helfen beim Verständnis heutiger Trafos und bei der Entwicklung zukünftiger, effizienterer Varianten.

Auf flexible Wände kommt es an

„Der ringförmige, magnetische Eisenkern im Trafo ist ein zentrales Element, das für die Erhöhung oder die Senkung der Spannung sorgt“, erklärt Grünzweig. Eine wesentliche Rolle spielen hierbei die darin verborgenen winzigen magnetischen Domänen. Innerhalb jeder Domäne ist die magnetische Ausrichtung einheitlich. Die Grenzen zwischen den Domänen nennen Fachleute Domänenwände. Wird der Eisenkern magnetisiert, bedeutet dies auf mikroskopischer Ebene, dass alle Domänen gleich ausgerichtet werden. Anders gesagt: Die Domänenwände verschwinden.

„Der entscheidende Faktor für effiziente Trafos ist die Mobilität der Domänenwände“, sagt Benedikt Betz, Hauptautor der beiden Studien und Doktorand in Grünzweigs Team. Denn durch unsere Stromleitungen fliesst Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz. Das heisst, dass der Eisenkern des Trafos 100 Mal pro Sekunde ummagnetisiert wird – magnetischer Süd- wird zu Nordpol und umgekehrt. Die Domänen werden also hin- und hergeworfen. Je flexibler sie sind, desto besser.

Mit PSI-Technologie lassen sich Trafos durchleuchten

Wie sich die Domänenwände genau verhalten, liess sich mit den bisher etablierten Methoden nur indirekt beobachten. Die Neutronen-Gitterinterferometrie, die Christian Grünzweig vor zehn Jahren im Rahmen seiner Doktorarbeit am PSI entwickelt hat, ermöglicht nun erstmals den direkten Blick auf die Domänenwände. „Die Domänen kann man sich vorstellen wie Grundstücke, die durch Zäune voneinander abgegrenzt sind“, sagt Grünzweig. „Was wir nun mit der Neutronen-Gitterinterferometrie sehen können, sind die Zäune, also die Domänenwände, nicht die Grundstücke.“ Auf den Bildern der Forschenden zeigen sich die Domänenwände als schwarze Striche.

Nun hat Grünzweigs Team in einer Studie unter Federführung von Benedikt Betz untersucht, was passiert, wenn man an einen Trafo Gleichstrom anlegt und diesen einmal hoch- und wieder herunterfährt. Mit steigender Stromstärke verschwanden die schwarzen Striche; der Eisenkern wurde durchgehend magnetisiert. Erst in diesem Zustand überträgt der Eisenkern die Spannung effektiv. Reduzierten die Forschenden den Strom wieder, erschienen auch die Striche und somit die Domänenwände wieder. So lieferte diese erste Studie die Grundlagen für weitere Untersuchungen.

In einer zweiten Studie legten die Forschenden dann wie in der Realität Wechselstrom an und variierten Stromstärke und Frequenz. Wie sich zeigte, gab es bestimmte Schwellen sowohl der Stromstärke als auch der Wechselstromfrequenz, ab der die Domänenwände verschwanden oder zu erstarren schienen.

Zielgerichtet zu effizienteren Trafos

„Mit diesen Einblicken sorgen wir jetzt nicht unmittelbar für bessere Transformatoren“, räumt Christian Grünzweig ein. „Aber wir bieten der Wissenschaft und Industrie eine neue Methode an.“ Und zwar zur rechten Zeit, denn seit vergangenem Jahr ist die Energieindustrie angehalten, im Zuge der EU-Ökodesign-Richtlinie – die auch von der Schweiz übernommen wurde – ihre Transformatoren energetisch zu verbessern. Bislang funktioniert die Weiterentwicklung von Trafos eher nach der Devise Versuch und Irrtum: Warum ein neuer Trafo besser funktioniert als ein alter, ist im Detail gar nicht klar. Mit genauerer Kenntnis der magnetischen Vorgänge im Eisenkern können Hersteller von Transformatoren nun zielgerichteter ihre Produkte optimieren.

Das Potenzial für Verbesserungen ist enorm, da die grossen Verteilertrafos laut Hochrechnungen EU-weit pro Jahr rund 38 Terawattstunden Energie verlieren – das ist mehr als die Hälfte der Menge, die die Schweiz im Jahr produziert. Schon eine Effizienzsteigerung der Trafos um wenige Prozent könnte also die Produktionsmenge mehrerer Kraftwerke einsparen.

Hintergrund 1: Transformatoren

Trafos kommen sowohl in Umspannwerken zum Einsatz als auch bei der Stromversorgung von Haushaltsgeräten. Ein klassischer Trafo besteht aus einem quadratischen Ring aus Eisen, bei dem zwei Seiten mit Kupferdraht umwickelt sind. Die eine Wicklung – die Feldspule – nimmt die Eingangsspannung des Stroms auf, produziert ein Magnetfeld und magnetisiert so den Eisenkern. Die zweite Wicklung – die Induktionsspule – greift diese Spannung wieder ab. Je nachdem wie unterschiedlich dicht die beiden Spulen gewickelt sind, verändert sich dabei die Spannung: Hat die Induktionsspule zum Beispiel zehnmal weniger Windungen als die Feldspule, so reduziert sich die Spannung entsprechend, beispielsweise von 230 auf 23 Volt. Analog kann man die Spannung durch eine dichter gewundene Induktionsspule auch erhöhen.

Das Problem: Bei dieser Umwandlung geht stets Energie verloren. Selbst als Laie bemerkt man dies daran, dass der Trafo von so manchem Haushaltsgerät brummt oder warm wird. Für die Gesamtstromversorgung viel erheblicher sind aber die Verluste an den riesigen Transformatoren der Umspannwerke. Diese Grosstransformatoren haben die Forschenden des PSI im Blick.

Hintergrund 2: Untersuchungsmethode Neutronen-Gitterinterferometrie

Das Neutronen-Gitterinterferometer des PSI, das es inzwischen ähnlich auch an anderen Forschungsinstituten gibt, durchleuchtet Objekte mit Neutronenstrahlen. Die Neutronen schiessen dabei durch den Eisenkern wie Licht durch Wasser. Von den Domänenwänden allerdings werden sie abgelenkt wie das Licht beim Übergang zwischen Luft und Wasser (dadurch erscheint etwa ein Strohhalm, den man ins Wasser hält, als wäre er geknickt). Zwar beträgt die Ablenkung der Neutronenstrahlen nur etwa ein tausendstel Grad, doch das Interferometer kann dies sehen: Die Domänenwände zeigen sich auf den Bildern, die das Interferometer erzeugt, in Form schwarzer Striche.

Vor der Entwicklung der Neutronen-Gitterinterferometrie mussten Forschende bei der Untersuchung von Trafomagneten auf die sogenannte Kerr-Mikroskopie zurückgreifen. Damit lässt sich die Magnetisierungsrichtung an der Oberfläche eines Eisenkerns abbilden und daraus über bestimmte Modelle auf die Domänen im Inneren schliessen. Dazu muss man allerdings zuvor die Isolationsschicht des Eisenkerns entfernen. Allerdings besteht ein solcher Kern nicht aus einem Block Eisen, sondern aus vielen hauchdünnen Blechen, die jeweils mit einer solchen elektrisch isolierenden Schicht aus Magnesiumsilikat ummantelt zu dem Eisenkern gestapelt sind. „So vermeidet man Energieverluste aufgrund von Wirbelströmen innerhalb des Kerns“, erläutert PSI-Mitarbeiter Benedikt Betz. Allerdings konnten die PSI-Forscher nachweisen, dass sich ein Kern, dessen Isolierung man zuvor entfernt, anders verhält als einer der Art, wie man sie letztlich in der Industrie verwendet. Das liegt daran, dass die Deckschicht noch einen weiteren Zweck hat: Sie bringt mechanische Zugspannung in das Blech, welche die Domänenstruktur verbessert. Sprich: Wer die Deckschicht entfernt, verändert auch das Domänenmuster. Demnach kann die Kerr-Mikroskopie kein originales Bild der tatsächlichen Vorgänge liefern.

Text: Jan Berndorff


Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2000 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 370 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.


Kontakt/Ansprechpartner

Dr. Christian Grünzweig
Forschungsgruppe Neutronenradiografie und Aktivierung, Labor für Neutronenstreuung und Imaging,
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 46 62, E-Mail: christian.gruenzweig@psi.ch

Originalveröffentlichungen

Magnetization Response of the Bulk and Supplementary Magnetic Domain Structure in High-Permeability Steel Laminations Visualized In Situ by Neutron Dark-Field Imaging
B. Betz, P. Rauscher, R.P. Harti, R. Schäfer, A. Irastorza-Landa, H. Van Swygenhoven, A. Kaestner, J. Hovind, E. Pomjakushina, E. Lehmann, and C. Grünzweig
Phys. Rev. Applied 6, 024023 – Published 30 August 2016
DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.6.024023

Frequency-Induced Bulk Magnetic Domain-Wall Freezing Visualized by Neutron Dark-Field Imaging
B. Betz, P. Rauscher, R. P. Harti, R. Schäfer, H. Van Swygenhoven, A. Kaestner, J. Hovind, E. Lehmann, and C. Grünzweig
Phys. Rev. Applied 6, 024024 – Published 30 August 2016
DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.6.024024

Weitere Informationen:

https://youtu.be/OvQqDqUeVlQ Video: Domänenwände im Eisenkern eines Transformators
http://psi.ch/GBg1 Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI

Dagmar Baroke | Paul Scherrer Institut (PSI)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht IT-Kühlung: So schaffen Kleinbetriebe den Sprung in die IT-Profiliga
23.09.2016 | Rittal GmbH & Co. KG

nachricht Plug & Play: Drei auf einen Streich
29.09.2016 | Rittal GmbH & Co. KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wie der Nordatlantik zum Wärmepirat wurde

23.01.2017 | Geowissenschaften

Immunabwehr ohne Kollateralschaden

23.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie